گرانش چطور کار می‌کند؟

گرانش نیرویی است که هر جرم را به جرم‌های دیگر می‌کشد و سقوط، وزن، مدار و شکل سیاره‌ها را توضیح می‌دهد. این مقاله قانون نیوتن، شتاب سقوط، تفاوت وزن و جرم، گرانش در ماه و مشتری، شکل گرد سیاره‌ها، دید نسبیت عام، بی‌وزنی فضانوردان، اثر گرانش بر بدن و پرسش‌های باز را به زبان ساده توضیح می‌دهد.

۱. گرانش چیست و چرا همه‌چیز را به پایین می‌کشد؟

گرانش نیرویی است که میان هر دو جرم وجود دارد و آن‌ها را به سمت هم می‌کشد. وقتی سیبی را رها می‌کنید، زمین آن را به سمت مرکز خودش می‌کشد و سیب هم کمی زمین را به سمت خودش می‌کشد، اما چون جرم زمین بسیار بزرگ‌تر است، فقط حرکت سیب دیده می‌شود. «پایین» در واقع یعنی سمت مرکز زمین.

این نیرو فقط مخصوص زمین نیست. هر چیزی که جرم دارد، از کتاب روی میز تا ستاره‌ها، گرانش ایجاد می‌کند. تفاوت در اندازه است: گرانش دو لیوان کنار هم آن‌قدر ضعیف است که حس نمی‌شود، ولی گرانش جرم‌های ستاره‌وار آن‌قدر زیاد است که سیاره‌ها و کهکشان‌ها را در مدار نگه می‌دارد.

گرانش در شکل‌گیری ساختارهای جهان نقش اصلی دارد. ابرهای گاز و غبار به‌خاطر گرانش خودشان فشرده می‌شوند و ستاره‌ها را می‌سازند و ستاره‌ها در کهکشان‌ها کنار هم می‌مانند. بدون گرانش نه سیاره‌ای شکل می‌گرفت، نه جوی دور زمین می‌ماند و نه آبی روی سطح آن قرار می‌گرفت. گرانش بخش پنهان بسیاری از رویدادهای روزمره هم هست.

با اینکه گرانش را هر لحظه حس می‌کنیم، از نظر قدرت ضعیف‌ترین نیروی بنیادی طبیعت است. یک آهنربای کوچک می‌تواند گرانش کل زمین را روی یک گیرهٔ کاغذ خنثی کند. دلیل غلبهٔ آن در مقیاس بزرگ این است که همیشه جذب می‌کند و اثرها با هم جمع می‌شوند. در بخش‌های بعدی ببینیم این نیرو چطور توصیف می‌شود.

۲. نیوتن گرانش را چطور توصیف کرد؟

ایزاک نیوتن در قرن هفدهم میلادی نشان داد که همان نیرویی که سیب را به زمین می‌کشد، ماه را هم در مدار نگه می‌دارد. این ایدهٔ بزرگی بود، چون برای نخستین بار حرکت اجرام آسمانی و اجسام زمینی را با یک قانون واحد توضیح می‌داد. او این نیرو را گرانش همگانی نامید.

قانون نیوتن دو نکتهٔ اصلی دارد. نخست اینکه نیرو با حاصل‌ضرب دو جرم رابطهٔ مستقیم دارد؛ هرچه جرم‌ها بزرگ‌تر باشند، کشش بیشتر است. دوم اینکه نیرو با مربع فاصله رابطهٔ معکوس دارد؛ اگر فاصله دو برابر شود، نیرو یک‌چهارم می‌شود. به همین دلیل گرانش با دور شدن به‌سرعت ضعیف می‌شود.

«گرانش ضعیف‌ترین نیروی بنیادی است، اما چون همیشه جذب می‌کند و هرگز دفع نمی‌کند، در مقیاس بزرگ بر همه‌چیز غلبه می‌کند.»

در این قانون عددی ثابت به نام ثابت گرانش وجود دارد که اندازهٔ نیرو را در واحدهای معمول مشخص می‌کند. این عدد بسیار کوچک است و برای همین گرانش اجسام معمولی دور از زمین قابل‌حس نیست. اندازه‌گیری آن در آزمایش‌های دقیق در آزمایشگاه، با ترازوهای حساس پیچشی، انجام می‌شود و سال‌ها دقتش بهتر شده است.

قانون نیوتن با دقت بسیار خوب پیش‌بینی می‌کند که سیاره‌ها چگونه می‌چرخند و فضاپیماها چگونه حرکت می‌کنند. بسیاری از مأموریت‌های فضایی هنوز با همین قانون طراحی می‌شوند. فقط در شرایط شدید، مثل گرانش بسیار قوی یا سرعت‌های نزدیک به نور، به نظریهٔ دقیق‌تری نیاز است که در بخش نسبیت عام می‌آید.

۳. چرا همهٔ اجسام با یک شتاب سقوط می‌کنند؟

نزدیک سطح زمین، هر جسمی که رها شود با شتاب تقریباً ثابتی، حدود ۹٫۸ متر بر مجذور ثانیه، به سمت زمین سرعت می‌گیرد. یعنی هر ثانیه سرعتش نزدیک ده متر بر ثانیه بیشتر می‌شود. این مقدار را شتاب گرانش می‌نامند و با حرف «جی» نشان می‌دهند و در جاهای مختلف زمین کمی فرق دارد.

گالیله نخستین کسی بود که این نکته را به‌طور آزمایشی بررسی کرد: جسم سنگین و سبک، اگر مقاومت هوا نباشد، با هم به زمین می‌رسند. دلیلش این است که جسم سنگین‌تر گرانش بیشتری می‌گیرد، ولی همان‌قدر هم لخت‌تر است و دیرتر شتاب می‌گیرد. این دو اثر دقیقاً یکدیگر را خنثی می‌کنند.

پس چرا پر کندتر از سنگ می‌افتد؟ چون هوا به پر نیروی مقاومت وارد می‌کند و سطح زیاد و جرم کم پر باعث می‌شود اثر هوا بزرگ شود. در خلأ این تفاوت از بین می‌رود. در سال ۱۹۷۱ فضانوردی در مأموریت آپولو ۱۵ روی ماه چکش و پر را هم‌زمان رها کرد و هر دو هم‌زمان به سطح رسیدند.

این اصل کاربرد روزمره هم دارد. هنگام پرش، سقوط آزاد یا حتی هنگام ریختن آب از ظرف، شتاب گرانش کار می‌کند. چتر نجات هم با افزایش مقاومت هوا سرعت سقوط را کم می‌کند. اگر سرعت سقوط یک جسم در هوا به حدی برسد که مقاومت هوا با وزن برابر شود، شتاب صفر می‌شود و سرعت ثابت می‌ماند؛ این را سرعت حدی می‌نامند.

۴. وزن با جرم چه فرقی دارد؟

جرم مقدار ماده در یک جسم است و با کیلوگرم سنجیده می‌شود. جرم هرگز با مکان تغییر نمی‌کند: یک کیسه برنج یک کیلوگرمی در زمین، ماه یا مریخ هم همان مقدار ماده را دارد. جرم همچنین میزان مقاومت جسم در برابر تغییر حرکتش، یعنی لختی آن، را نشان می‌دهد.

وزن اما نیرویی است که گرانش بر جسم وارد می‌کند و از ضرب جرم در شتاب گرانش به‌دست می‌آید. واحد درست آن نیوتن است. وزن هر جسم به مکانی که در آن قرار دارد بستگی دارد: همان کیسه برنج روی ماه وزن خیلی کمتری دارد، چون گرانش ماه ضعیف‌تر است، ولی جرمش همان است.

در زبان روزمره از عبارت وزن کردن استفاده می‌کنیم و ترازو را بر حسب کیلوگرم می‌خوانیم. ترازوی حمام در واقع نیرو را اندازه می‌گیرد و آن را با فرض گرانش زمین به جرم تبدیل می‌کند. به همین دلیل اگر آن را به ماه ببریم، عددی بسیار کمتر نشان می‌دهد، در حالی که جرم شما تغییر نکرده است.

تمایز این دو مفهوم در علم و مهندسی حیاتی است. در محاسبهٔ بار پل‌ها، سازه‌ها و موشک‌ها باید وزن را بر اساس نیرو حساب کرد، ولی در محاسبهٔ حرکت و لختی، جرم مهم است. برای فضانوردان هم جرم‌شان در فضا همان است، ولی وزن‌شان در مدار تقریباً حس نمی‌شود.

۵. وزن شما روی ماه و سیاره‌های دیگر چقدر است؟

گرانش سطح هر جرم آسمانی به جرم و اندازهٔ آن بستگی دارد. روی ماه شتاب گرانش حدود یک‌ششم زمین است، روی مریخ حدود ۳۸ درصد زمین و روی مشتری که غول گازی است، بیش از دو برابر زمین. این اعداد تقریبی‌اند و برای سطح قابل‌مشاهدهٔ هر جرم، و نه درون آن، ارائه می‌شوند.

برای فهم بهتر، وزن را برای جرمی ثابت، مثلاً هفتاد کیلوگرم، در چند جای مختلف حساب می‌کنیم. وزن بر حسب نیوتن از ضرب جرم در شتاب گرانش به‌دست می‌آید و برای مقایسهٔ ساده‌تر می‌توان آن را بر شتاب گرانش زمین تقسیم کرد تا عددی شبیه کیلوگرمی که حس می‌کنیم بیاید. مقدارها تقریبی‌اند.

نتیجهٔ این محاسبه نشان می‌دهد که فرد هفتاد کیلوگرمی روی ماه حدود دوازده کیلوگرم وزن حس می‌کند، روی مریخ حدود بیست‌وشش و روی مشتری، اگر سطح محکمی برای ایستادن داشت، بیش از صد و هفتاد. این تفاوت‌ها توضیح می‌دهد که چرا فضانوردان روی ماه با گام‌های بلند و پرش‌های سبک حرکت می‌کردند. برنامهٔ زیر این مقایسه را انجام می‌دهد.

mass_kg = 70
g_values = {"earth": 9.81, "moon": 1.62, "mars": 3.71, "jupiter": 24.8}  # مقدارهای تقریبی
for name, g in g_values.items():
    force = mass_kg * g
    print(name, round(force), round(force / 9.81))
# earth 687 70
# moon 113 12
# mars 260 26
# jupiter 1736 177

البته گرانش روی سطح خود زمین هم کاملاً یکنواخت نیست. در نزدیکی قطب‌ها کمی بیشتر و در نزدیکی استوا کمی کمتر است، چون زمین چرخان است و کمی در استوا برآمده است. با افزایش ارتفاع نیز گرانش کمی کم می‌شود. این تفاوت‌ها کوچک‌اند، ولی ابزارهای دقیق می‌توانند آن‌ها را اندازه بگیرند.

۶. چرا سیاره‌ها و ستاره‌ها تقریباً گردند؟

ستاره‌ها و سیاره‌های بزرگ تقریباً گرد هستند و دلیلش گرانش است. گرانش هر ذره را به سمت مرکز می‌کشد و در نتیجه ماده تا جایی که ممکن است به مرکز نزدیک می‌شود. شکلی که همهٔ نقطه‌هایش از مرکز فاصلهٔ یکسان دارند، کره است و بنابراین کره پایدارترین شکل برای یک جرم بزرگ است.

وقتی جرمی به‌اندازهٔ کافی بزرگ شود، گرانشش از استحکام سنگ و فلز بیشتر می‌شود. در این حالت برآمدگی‌ها فرو می‌ریزند و ماده مانند سیال رفتار می‌کند تا به شکل کروی برسد. حد دقیق به جنس ماده بستگی دارد، ولی معمولاً در اجرام صدها کیلومتری به بعد شکل گرد دیده می‌شود.

اجرام کوچک مثل سیارک‌های کوچک و بسیاری از قمرهای کوچک شکل نامنظم دارند، چون گرانش‌شان برای غلبه بر استحکام مواد کافی نیست. نمونه‌هایی از سیارک‌ها که تصویرشان با فضاپیما گرفته شده شبیه سیب‌زمینی یا بادام‌اند. چنین شکل‌هایی نشان می‌دهد گرانش تنها وقتی کره می‌سازد که به اندازهٔ کافی قوی باشد.

زمین هم کاملاً کره نیست. چرخش آن باعث می‌شود در استوا کمی برآمده و در قطب‌ها کمی پهن باشد. تفاوت قطر استوایی و قطبی حدود چند ده کیلومتر است که نسبت به قطر زمین بسیار کوچک است. بنابراین کره‌ای کمی پخ‌شده شکل زمین را بهتر توصیف می‌کند، نه کرهٔ کامل.

۷. نسبیت عام گرانش را چطور توضیح می‌دهد؟

آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ نظریهٔ نسبیت عام را مطرح کرد و تصویر تازه‌ای از گرانش داد. بر اساس این نظریه، گرانش نیرویی که از دور اثر کند نیست، بلکه نتیجهٔ خمیدگی فضا و زمان به‌دلیل وجود جرم و انرژی است. اجسام در فضای خمیده در سریع‌ترین مسیر ممکن حرکت می‌کنند که برایمان مثل کشش گرانش دیده می‌شود.

در یک تشبیه معمول، پارچه‌ای کشیده را در نظر بگیرید که جرمی سنگین روی آن گودی ایجاد کرده است. توپ‌های کوچک‌تر در مسیر منحنی حرکت می‌کنند، نه چون نیرویی مستقیم آن‌ها را می‌کشد، بلکه چون سطح خمیده است. این تشبیه ناقص است، چون فقط خمیدگی فضا را نشان می‌دهد و نه زمان را، ولی شهود خوبی می‌دهد.

پیش‌بینی‌های این نظریه بارها آزمایش شده‌اند. نور هنگام عبور از کنار اجرام سنگین خم می‌شود و ساعت‌ها در گرانش قوی‌تر کندتر می‌گذرند. سامانه‌های ماهواره‌ای موقعیت‌یاب باید اثر نسبیت را در ساعت ماهواره‌ها اصلاح کنند، وگرنه خطای موقعیت‌شان در طول روز بسیار زیاد می‌شد. این نشان می‌دهد که نسبیت عام در فناوری روزمره هم کاربرد دارد.

یکی از پیش‌بینی‌های دیگر نسبیت عام امواج گرانشی است، یعنی موج‌هایی در تار و پود فضا و زمان که با شتاب گرفتن جرم‌های بسیار سنگین پدید می‌آیند. این امواج نخستین بار در سال ۲۰۱۵ به‌طور مستقیم آشکار شدند. آشکارسازی آن‌ها پنجرهٔ تازه‌ای برای مطالعهٔ اجرامی مثل سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی باز کرده است.

۸. گرانش در زندگی و بدن ما چه اثرهایی دارد؟

گرانش بر بسیاری از جنبه‌های زندگی روزمره اثر می‌گذارد، حتی وقتی به آن فکر نمی‌کنیم. آب از بالا به پایین جاری می‌شود، باران می‌بارد، رودخانه‌ها مسیر خود را می‌یابند و هوای گرم بالا می‌رود چون چگال‌تر بودن هوای سرد آن را به پایین می‌کشد. شکل زمین، ساختمان‌ها و حتی طراحی ظرف‌ها و لوله‌کشی با گرانش گره خورده است.

بدن ما هم برای زندگی در گرانش زمین سازگار شده است. استخوان‌ها و ماهیچه‌ها برای تحمل وزن بدن تقویت می‌شوند و دستگاه گردش خون باید خون را از پاها به قلب برگرداند. وقتی کسی ناگهان از حالت درازکش بلند می‌شود، ممکن است لحظه‌ای سرگیجه بگیرد، چون خون باید در برابر گرانش تنظیم شود.

در فضا که گرانش مؤثر کم است، بدن تغییر می‌کند. فضانوردان بدون تمرین روزانه، توده استخوانی و ماهیچه‌ای از دست می‌دهند و مایعات بدن‌شان جابه‌جا می‌شود. به همین دلیل ورزش منظم بخشی از برنامهٔ هر مأموریت است. فهرست زیر چند مثال از اثر گرانش بر زندگی را خلاصه می‌کند.

• گردش آب در رودخانه‌ها و لوله‌کشی ساختمان‌ها
• تحمل وزن بدن توسط استخوان‌ها و ماهیچه‌ها
• بازگشت خون از پاها به قلب
• صعود هوای گرم و نشستن گردوغبار
• ضعف استخوان و ماهیچه در فضانوردان بدون ورزش

گرانش در پزشکی و ورزش هم اهمیت دارد. ورزش‌های وزنه‌دار و راه رفتن استخوان‌ها را قوی نگه می‌دارند و بی‌حرکتی طولانی یا استراحت مطلق می‌تواند ضعف ایجاد کند. اگر درد یا مشکل خاصی دارید، ورزش را با نظر پزشک یا مربی مجاز تنظیم کنید و ناگهانی سنگین نکنید.

۹. بی‌وزنی در ایستگاه فضایی یعنی نبود گرانش؟

بسیاری فکر می‌کنند فضانوردان در ایستگاه فضایی بی‌وزن‌اند چون گرانش آنجا وجود ندارد، اما این درست نیست. ایستگاه در ارتفاع حدود چهارصد کیلومتری زمین می‌چرخد و گرانش در آنجا هنوز نزدیک به نود درصد گرانش سطح زمین است. اگر ایستگاه ساکن بود، با شتاب تقریباً کامل سقوط می‌کرد.

بی‌وزنی در مدار نتیجهٔ سقوط آزاد است. ایستگاه و فضانوردان درون آن هم‌زمان در حال سقوط به سمت زمین‌اند، ولی چون ایستگاه با سرعت بسیار زیادی در راستای افقی هم حرکت می‌کند، به جای برخورد با زمین پیوسته دور آن می‌چرخد. همه‌چیز با هم سقوط می‌کند، پس نیروی تماسی میان آن‌ها حس نمی‌شود.

همین حالت را در سقوط آزاد کوتاه روی زمین هم می‌توان حس کرد، مثلاً در لحظه‌ای که آسانسور یا وسیلهٔ تفریحی ناگهان به پایین می‌افتد. هواپیماهای مخصوص آموزش فضانوردان هم با مسیر منحنی پرواز، چند ده ثانیه بی‌وزنی ایجاد می‌کنند. این پروازها فقط با نظارت متخصصان و تجهیزات ویژه انجام می‌شوند.

بی‌وزنی پیامدهای عملی دارد: مایعات به شکل گوی در می‌آیند، شعلهٔ شمع شکل کروی می‌گیرد و غذا باید طوری بسته‌بندی شود که پراکنده نشود. دانشمندان از محیط بی‌وزنی برای آزمایش‌هایی در زیست‌شناسی و مواد استفاده می‌کنند، چون اثرهایی که در گرانش زمین پنهان می‌مانند در فضا آشکار می‌شوند.

۱۰. مرز دانش: گرانش کوانتومی، ماده تاریک و پرسش‌های باز

با همهٔ موفقیت‌های نسبیت عام، هنوز پرسش‌های بزرگی باقی است. مهم‌ترین آن‌ها این است که گرانش چگونه با مکانیک کوانتومی، که ذره‌های بسیار کوچک را توصیف می‌کند، سازگار می‌شود. این دو نظریه در شرایط معمول جدا کار می‌کنند، ولی در مرکز سیاهچاله‌ها یا لحظهٔ آغاز جهان به هم نیاز دارند.

پرسش دیگر ماده تاریک است. حرکت ستاره‌ها در کهکشان‌ها نشان می‌دهد که گرانش بیشتری از آنچه ماده قابل‌دیدن می‌سازد وجود دارد. بسیاری از دانشمندان فرض می‌کنند که نوعی ماده نامرئی در کار است، ولی هنوز ماهیت آن روشن نشده و بعضی پژوهشگران توضیح‌های دیگری هم بررسی می‌کنند.

انرژی تاریک هم نام دیگری است که برای توضیح شتاب گرفتن انبساط جهان به کار می‌رود. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که انبساط جهان کندتر نمی‌شود و تندتر می‌شود. این رفتار با تصور ساده‌ای از گرانش به‌تنهایی جور درنمی‌آید. هنوز توضیح قطعی و پذیرفته‌شده‌ای برای آن وجود ندارد و پژوهش ادامه دارد.

این پرسش‌ها نشان می‌دهد که گرانش، با اینکه اولین نیرویی است که انسان با آن آشنا می‌شود، هنوز یکی از عمیق‌ترین موضوعات علم است. هر آزمایش و رصد تازه می‌تواند تصویر ما را کامل‌تر کند. دانستن مفاهیم پایه مثل وزن، جرم و سقوط، نقطهٔ شروع خوبی برای ورود به این موضوع‌ها است.